Le VIH et sa glycoprotéine d’enveloppe

Le VIH et sa glycoprotéine d’enveloppe

L’infection par le VIH et le SIDA

Le Syndrome de l’Immunodéficience Acquise (SIDA) est un ensemble de manifestations d’infections opportunistes et de cancers liés à un affaiblissement du système immunitaire qui en absence de traitement conduit à la mort. L’agent étiologique du SIDA est le Virus de l’Immunodéficience Humaine (VIH) isolé pour la première fois en 1983 (BarréSinoussi, Montagnier, 1983, Science ; Popovic, Gallo, Science, 1984).

Origine zoonotique

Le VIH-1 est un virus zoonotique qui a émergé chez l’humain après des franchissements répétés de la barrière inter-espèce par des virus de l’immunodéficience simienne (SIV) de chimpanzés et gorilles. Ces transmissions distinctes ont donné lieu à la propagation de quatre groupes de VIH-1 chez l’humain : groupes M, O, N et P (Figure I-1). L’épidémie de VIH-1 de groupe M a débuté par la transmission à l’homme d’un virus de chimpanzés en Afrique centrale dans les années 1920 (Sharp, CSH perspectives, 2011). Elle s’est ensuite disséminé sur tous les continents et représente aujourd’hui la majorité des infections dans le monde. Signe de l’extrême diversité génétique du VIH, le groupe M est subdivisé en 9 soustypes (A, B, C, D, F, G, H, J, K) et 49 formes recombinantes (CRF) (Figure I-1). Le sous-type B est prédominant dans la plupart des pays occidentaux en Europe, Amérique, et Australie. Le sous-type C est majoritaire au Sud de l’Afrique et le sous-type A prédomine en Afrique de l’Ouest, centrale et de l’Est. Le VIH-2, moins virulent, isolé en 1986 en Afrique de l’Ouest (Clavel, Science, 1986), provient d’un virus infectant des macaques sooty mangabey.

Organisation génétique du VIH

Le VIH est un virus enveloppé d’environ 100-150 nm de la famille des Rétrovirus et du genre Lentivirus (Figure I-2). Son génome diploïde est composé d’un dimère d’ARN simple brin d’une dizaine de kilobases qui contient de nombreux gènes disposés sur les trois cadresde lecture (Vogt, Retroviruses, 1997). Les protéines structurales sont codées par les gènes gag, pol et env. Le gène gag code notamment pour la protéine de matrice, de capside et la nucléocapside. La polyprotéine Gag-Pol comprend la protéase, la reverse transcriptase et l’intégrase. Env code pour la protéine d’enveloppe composée d’un hétérotrimère de trois gp120 et trois gp41 dont nous reparlerons en détail. Le VIH produit aussi des protéines régulatrices Tat et Rev et des protéines accessoires Vif, Vpr, Vpu, Vpx et Nef. De nombreuses séquences cis-régulatrices modulent l’expression des gènes et des sites de liaison à des protéines virales.

Cellules cibles 

Le tropisme du VIH est déterminé par sa liaison à des récepteurs à la surface cellulaire : le CD4 et un corécepteur CCR5 ou CXCR4. Les cellules cibles sont les lymphocytes T auxiliaires, les cellules dendritiques, les macrophages et les astrocytes dans le cerveau. Le rôle biologique du récepteur membranaire CD4 est de stabiliser l’interaction entre le récepteur des lymphocytes T et le complexe majeur d’histocompatibilité de type II (CMH II) des cellules présentatrices de l’antigène. Il est organisé en domaines de types immunoglobulines. Les corécepteurs CCR5 ou CXCR4 sont des récepteurs aux chimiokines couplés à des protéines G. Le tropisme pour le corécepteur CCR5 correspond généralement à des virus présents en début d’infection. Le corécepteur CCR5 est préférentiellement exprimé par les lymphocytes T CD4 mémoires (Douek, Annu Rev Immunol, 2003). Un allèle de CCR5 naturellement présent en faible nombre dans la population protège de l’infection s’il est exprimé de façon homozygote. Au cours de l’infection, l’apparition tardive de virus à tropisme CXCR4, plus pathogènes, est fréquente et entraîne la déplétion d’une plus large population de lymphocytes T CD4 naïfs et mémoires, induisant une plus rapide dégradation de l’état clinique (Blaak, PNAS, 2000).

Cycle cellulaire 

Le cycle cellulaire débute par l’attachement du virion au récepteur CD4 et au corécepteur par la protéine d’enveloppe. Celle-ci induit la fusion des membranes virales et cellulaires, une étape que nous aborderons en détail dans la partie consacrée au trimère d’enveloppe. Le matériel viral est alors relargué dans la cellule et décapsidé. L’ARN migre sur les microtubules en direction du noyau et est simultanément rétrotranscrit par la rétrotranscriptase en ADN double brin avant d’être importé dans le noyau. Pour son initiation, la rétrotrancriptase utilise comme amorce un ARN de transfert de la lysine de la cellule hôte (Mirande, Virologie, 2008). Une fois dans le noyau, l’ADN viral est recombiné à l’ADN génomique par l’intégrase sur des sites de haute activité transcriptionnelle de l’euchromatine (Engelman, CMLS, 2018). L’ADN viral est ensuite transcrit par la machinerie cellulaire, dont l’ARN polymérase II, en transcrits messagers et en ARN génomique viral. La protéine virale Tat et les facteurs de transcriptions humains régulent la transcription permettant une forte expression des gènes viraux. Les ARN transcrits sont exportés dans le cytoplasme à l’aide de la protéine virale Rev. L’ARN messager de la protéine d’enveloppe est traduit dans le réticulum endoplasmique et y ancre son peptide signal dans la membrane lipidique. La protéine d’enveloppe subit des modifications post-traductionnelles dans l’appareil de Golgi avant d’être transportée à la membrane plasmique. Le transcrit gag-pol est traduit par des ribosomes libres, en polyprotéines qui migrent à la membrane plasmique et s’associent avec deux molécules d’ARN génomique viral pour l’encapsidation. Le virion néoformé bourgeonne en emportant la membrane lipidique de la cellule hôte et est libéré dans le milieu extracellulaire.

La production de nombreux virions est lytique pour la cellule hôte. Les virions restent immatures tant que la protéase virale qu’ils incorporent n’a pas clivé les polyprotéines en protéines fonctionnelles. Le trimère d’enveloppe est la seule protéine virale exposée à la surface du virion, mais le virion peut incorporer des protéines membranaires cellulaires (Ott, Rev Med Virol, 1997 ; Linde, J Proteome Res, 2013). Plutôt que de circuler librement dans le milieu extracellulaire pour rencontrer aléatoirement une cellule cible, le virion peut être transféré rapidement de cellule à cellule au niveau d’une jonction intercellulaire appelée dans ce cas synapse virale. La formation de syncytia a aussi été reportée (Bracq, Front Immunol, 2018). Ces cellules multinucléées sont générées par la fusion d’une cellule infectée et d’une cellule non infectée. L’attachement des récepteurs de la cellule cible avec les protéines d’enveloppe ancrées à la membrane plasmique de la cellule donneuse entraîne la fusion des deux membranes plasmiques.

Transmission

Le VIH se transmet principalement par relations sexuelles, mais aussi par transfusion sanguine ou de la mère à l’enfant pendant la grossesse, l’accouchement ou l’allaitement. Il y a une assez grande disparité de risque selon le type d’exposition sexuelle. L’infection est d’autant plus probable que la charge virale du partenaire séropositif est élevée, ce qui est le cas notamment pendant la primo-infection. Malgré l’exposition à de nombreux virus, dans la plupart des cas l’infection est expliquée par le franchissement de la barrière muqueuse par un virus unique à tropisme CCR5 appelé virus transmis. La sélection d’un seul virus du donneur pour l’infection du receveur est un extraordinaire goulot d’étranglement génétique (Carlson, Science, 2014 ; Theys, Curr Op Virol, 2018).

Stades de l’infection par le VIH

Premier stade de l’installation de l’infection, la primo-infection est caractérisée par une très haute charge virale, jusqu’à 10 millions de copies d’ARN/mL de plasma, et pour 50 à 70% des sujets, des symptômes peu typiques comme de la fièvre, une pharyngite ou une perte de poids (Figure I-3) (Kahn, N Engl Med, 1998). Les premières semaines de l’infection sont caractérisées par la déplétion d’une grande partie des lymphocytes T CD4 mémoires des muqueuses digestives ce qui en fragilise la barrière immunitaire (Brenchley, Nat Med, 2006). Parallèlement, des provirus s’intègrent aux génomes de certaines cellules infectées, notamment des lymphocytes T CD4 mémoires à longue durée de vie (Chun, Nature, 1997 ; Finzi, Science, 1997). Ces virus ne se répliquent pas, laissant la cellule vivante, et échappant à la reconnaissance par le système immunitaire et à l’action des traitements antirétroviraux. Ce réservoir de virus latents est difficile à éliminer et explique en grande partie que le système immunitaire ne peut surmonter l’infection (Chun, PNAS, 1998).

Après la primo-infection, la charge virale diminue et se stabilise aux alentours de quelques dizaines de milliers de copies par mL. Cette valeur varie d’un individu à l’autre et est prédictive de la rapidité de la progression vers le stade SIDA (Lyles, J Infect Dis, 2000). Débute alors une phase presque asymptomatique d’une durée qui peut varier de quelques mois à quelques années. Pendant ce temps, la réplication virale est continue et importante avec jusqu’à plusieurs milliards de virions libérés dans la circulation chaque jour et les lymphocytes T CD4 sont détruits progressivement (Ho, Nature, 1995).

Puis, lorsque le taux de lymphocytes T CD4 franchit un seuil critique autour de 200 cellules par mm3 , les symptômes d’une immunodéficience sévère apparaissent. Des cancers et des infections opportunistes apparaissent, qui ne se développent normalement pas chez les personnes immunocompétentes. Elles sont dues à toutes sortes de pathogènes : bactériens (tuberculose), parasitaires (toxoplasmose), fongiques (pneumonie à Pneumocystis, candidoses, méningite à cryptococcus) et enfin viraux (cytomégalovirus entraînant des rétinites, l’herpès virus 8 entraînant le sarcome de Kaposi, le virus d’Epstein Barr entraînant des lymphomes, Herpes zoster provoquant des zonas). Finalement, ces maladies entraînent la mort dans la quasi-totalité des cas.

Pandémie mondiale

Depuis le début de la pandémie de SIDA dans les années 1980, plus de 70 millions de personnes ont été infectées dont plus de la moitié sont décédées. Le SIDA continue à tuer 1 à 2 millions de personnes chaque année (chiffres OMS juillet 2018). L’utilisation de mélanges de médicaments antirétroviraux a permis d’améliorer considérablement le pronostic de l’infection par le VIH. Ils ciblent la reverse transcriptase, la protéase, la fusion et l’intégrase. En réduisant la charge virale dans la plupart des cas à des niveaux indétectables, ils réduisent aussi le risque de transmission. Cependant, ils doivent être pris à vie et ne sont pas dénués d’effets secondaires. Les traitements antiviraux peuvent aussi servir de prophylaxie pré-exposition ou post-exposition pour limiter le risque de contracter le virus, mais leur utilisation est limitée aux situations à risques.

Bien que les traitements antirétroviraux disponibles dans les pays développés assurent une qualité et une espérance de vie presque normales aux personnes infectées, la situation est bien plus préoccupante en Afrique où 25 millions de personnes vivent avec une infection au VIH et où les deux tiers des nouvelles infections se produisent (chiffres OMS juillet 2018). Les mesures préventives et l’accès aux soins, malgré leurs constantes augmentations, ont peu de chance de suffire à enrayer la pandémie. Un vaccin prophylactique serait donc une arme de choix dont la découverte est une priorité de la recherche depuis l’isolement du virus en 1983. A ce jour, aucun prototype de vaccin n’a permis de protéger de l’infection de façon satisfaisante.

La neutralisation du VIH par les anticorps

Premiers essais vaccinaux

Les stratégies vaccinales classiques ayant déjà fait leurs preuves pour de nombreux virus ont d’abord été essayées, mais se sont révélées inefficaces contre le VIH (Trovato, Int J Mol Sci, 2018). Par exemple, un prototype de vaccin utilisant un virus simien vivant atténué a été abandonné quand il est apparu que le virus devenait pathogène chez les singes (Whitney, Curr Opin Infect Dis, 2004). Les approches basées sur l’inactivation virale se sont également avérées inefficaces (Kahn, JAMA, 2000). Il est donc apparu qu’une meilleure compréhension des mécanismes de protection était nécessaire pour mettre au point un vaccin contre le VIH. La plupart des vaccins contre des agents pathogènes bactériens ou viraux induisent des anticorps qui sont prédictifs du niveau de protection (Plotkin, Clin Infect Dis, 2008). Ces anticorps pourraient être seulement le reflet d’une réponse immunitaire efficace, mais il a été montré que le mécanisme de protection de la plupart des vaccins antiviraux reposait certainement sur la neutralisation. Ces anticorps neutralisants inhibent in vitro l’infection des cellules cibles, généralement en bloquant l’entrée du virus. Ainsi, dans le cas du VIH, les anticorps neutralisants reconnaissent les glycoprotéines d’enveloppe, qui sont la seule cible exposée à la surface du virion. Le mécanisme de la neutralisation s’opère par fixation des anticorps aux protéines d’enveloppe et ne fait pas appel à des fonctions effectrices mettant en jeu les fonctions effectrices des anticorps et d’autres composants du système immunitaire. En effet, les anticorps neutralisants inhibent l’infection de cellules permissives à l’infection in vitro en l’absence d’autres facteurs comme le complément. La corrélation entre la capacité des anticorps à neutraliser in vitro et à protéger contre l’infection par le VIH in vivo a été évaluée pour comprendre l’intérêt d’induire ce type de réponse par vaccination.

Intérêt prophylactique des anticorps neutralisants

Les études sur l’intérêt prophylactique des anticorps neutralisants ont rapidement confirmé leur capacité à protéger de l’infection dans les modèles animaux. Ainsi, il a été montré que les anticorps neutralisant le VIH protègent les macaques contre un challenge d’un virus simien chimérique portant une protéine d’enveloppe de VIH (SHIV). Un mélange polyclonal d’immunoglobulines IgG, dirigés contre la protéine d’enveloppe du VIH-1 issus de chimpanzés infectés, a par exemple été administré à des macaques sains, avant un challenge intraveineux de virus SHIV exprimant la même protéine d’enveloppe (Shibata, Nat Med, 1999). Ces anticorps polyclonaux protégeaient de l’infection à des concentrations permettant 99% de neutralisation in vitro avec un sérum dilué 38 fois (Nishimura, J Virol, 2002). Cela signifie que pour atteindre la protection, il fallait que la concentration plasmatique des anticorps soit 38 fois supérieure à leur concentration inhibitrice pour atteindre 99% de neutralisation (IC99). La nécessité de haute concentration d’anticorps neutralisants pour contrer un challenge intraveineux a été à nouveau soulignée en utilisant un virus à tropisme CCR5, plus représentatif des virus transmis chez l’homme. Un animal sur deux était protégé avec un titre de l’anticorps monoclonal neutralisant b12 de 1/100 (Parren, J Virol, 2001). La protection était aussi obtenue avec des inoculations virales par voies muqueuses (Mascola, Nat Med, 2000) et ce, à des concentrations d’anticorps moins élevées que reportées précédemment. Ces études utilisaient des doses élevées de virus afin d’infecter tous les animaux contrôle en une seule inoculation. D’autres études chez le macaque ont choisi d’imiter plus fidèlement l’exposition sexuelle chez l’homme en utilisant une faible dose de virus pour des challenges viraux vaginaux ou rectaux répétés. A faible concentration de l’anticorps b12 d’environ 40 µg/mL, le nombre de challenges viraux nécessaire pour produire une infection était largement augmenté, suggérant que les challenges viraux à hautes doses pouvaient sous-estimer la capacité des anticorps à protéger (Hessell, Nat Med, 2009). De plus, il a été montré que plus les anticorps monoclonaux neutralisent à des IC50 faibles in vitro, plus ils permettent d’atteindre la protection à des concentrations plasmatiques réduites (Gautam, Nature, 2016). Ainsi, l’anticorps PGT121, qui neutralise in vitro à des IC50 de l’ordre de 0,03 µg/mL, assurait 100% de protection stérilisante à une concentration plasmatique de 15 µg/mL (Moldt, PNAS, 2012). Des résultats similaires ont été obtenus pour d’autres anticorps neutralisants (Pegu, Immunol Rev, 2017 ; Shingai, Nature, 2013 ; Shingai, JEM, 2014 ; Saunders, J Virol, 2015 ; Moldt, AIDS, 2016 ; Pegu, Sci Transl Med, 2014 ; Hessell, Nat Med, 2016).

Table des matières

I. INTRODUCTION
Partie 1) Le VIH et sa glycoprotéine d’enveloppe
A) L’infection par le VIH et le SIDA
B) La neutralisation du VIH par les anticorps
C) La structure du trimère d’enveloppe
D) Les glycanes du trimère d’enveloppe
Partie 2) La réponse humorale aux infections
A) Les immunoglobulines et leurs gènes
B) L’activation et la maturation des lymphocytes B
C) Le devenir des cellules du centre germinatif
Partie 3) La neutralisation à large spectre
A) La neutralisation à large spectre au cours de l’infection
B) Les anticorps monoclonaux neutralisants à large spectre
C) Le développement des anticorps neutralisants à large spectre dans l’infection par le VIH
D) L’induction d’anticorps neutralisants à large spectre par vaccination
Partie 4) Les anticorps neutralisants à large spectre ciblant la région N332
A) Les caractéristiques des anticorps ciblant la région N332
B) Les épitopes de la région N332
C) La maturation des lignées ciblant la région N332
D) Conclusions sur les anticorps neutralisants à large spectre ciblant la région N332 et description du travail de thèse
II. MATERIELS ET METHODES
Partie 1) Protocole C de l’International AIDS Vaccine Initiative
Partie 2) Isolement des anticorps et clonage des gènes d’env autologues
Partie 3) Production des anticorps monoclonaux et des pseudovirus et test de neutralisation
Partie 4) Purification des gp120 recombinantes
III. TRAVAUX SUR LE DONNEUR PC76
Partie 1) Informations préliminaires sur la lignée PCDN
Partie 2) Résultats
A) Données complémentaires
B) Etude du paratope des anticorps PCDN de PC76
Partie 3) Discussion
IV. TRAVAUX SUR LE DONNEUR PC94
Partie 1) Données préliminaires
Partie 2) Résultats
A) Cartographie de l’activité neutralisante à large spectre du sérum de PC94
B) Isolement des anticorps neutralisants et sélection des lignées d’anticorps d’intérêt
C) Activité neutralisante des anticorps
D) Cartographie de l’épitope
Partie 3) Discussion
V. CONCLUSION GENERALE

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